结构化学教学课件

结构化学教学课件第一章原子结构与化学键基础在本章中，我们将探讨原子的基本结构、电子分布规律以及不同类型化学键的形成机制理解这些基础知识对后续学习分子和晶体结构至关重要原子结构离子稳定性化学键类型原子的结构原子是由原子核和绕核运动的电子云组成的原子核位于原子中心，包含质子和中子，携带正电荷，占据原子绝大部分质量但体积极小电子在核外按不同能级分布，形成电子层（、、、等）每个电子层可容纳的电K LM N子数遵循规律（为主量子数）2n²n层（）最多容纳个电子•K n=12层（）最多容纳个电子•L n=28层（）最多容纳个电子•M n=318层（）最多容纳个电子•N n=432离子与原子稳定性离子形成的本质是原子通过得失电子达到稳定的电子结构钠原子Na电子转移钠离子Na+外层只有个电子，不稳定钠失去个电子形成稳定的满壳层结构11电子排布氯获得个电子电子排布:2,8,11:2,8八电子规则（稀有气体规则）原子倾向于通过形成化学键获得类似最近稀有气体的稳定电子构型（外层个电子，氦除外）这解释了许多元素的化8学性质和反应趋势化学键的类型离子键共价键金属键金属和非金属之间的静电引力非金属原子间共享电子对金属阳离子与自由电子间作用通过电子完全转移形成通过电子共享形成通过电子池共享形成•••具有方向性差、强度大的特点具有方向性强、长度固定特点具有导电性好、延展性强特点•••典型例子（氯化钠）典型例子（水）典型例子（铜）•NaCl•H2O•Cu不同化学键具有截然不同的结构特征和物理性质例如，离子化合物通常具有高熔点和脆性，而金属具有良好的导电性和延展性共价键的电子对键对与孤对电子价层电子对互斥理论键对电子参与化学键形成的共用电子对，位于两个原子核之间VSEPR理论核心思想价层电子对之间存在相互排斥力，尽可能远离以减小排斥，从而决定分子几何构型孤对电子不参与成键的价层电子对，仅属于一个原子，对分子形状有重要影响排斥力大小顺序例如，水分子H2O中氧原子有4对价电子孤对-孤对孤对-键对键对-键对•2对键对电子形成O-H键这种排斥力直接决定了分子的空间构型和键角•2对孤对电子仅属于氧原子价键理论假设价键理论是解释共价键形成的重要理论模型，建立在量子力学基础上12最高能级电子参与成键未配对电子优先成键只有原子最外层（价层）的电子才能参与化学键的形成，内层电子基两个原子的未配对电子通过自旋配对形成共价键，电子自旋方向相反，本不参与化学反应使系统能量降低34轨道重叠形成化学键杂化轨道解释几何构型原子轨道重叠区域电子密度增加，原子核间区域形成电子桥，产生通过原子轨道杂化解释分子的特定几何形状，如甲烷的四面体CH4键合力构型来源于碳原子的杂化sp3价键理论的优点是直观形象，可以解释大多数简单分子的结构；缺点是难以解释一些复杂分子的电子结构和性质原子结构示意图上图展示了原子的电子云分布与能级层次结构原子核位于中央，周围的彩色区域表示不同能级的电子云分布概率从内到外依次为K层n=1M层n=3最内层，最多容纳个电子第三层，最多容纳个电子218包含轨道包含、和轨道1s3s3p3dL层n=2N层n=4第二层，最多容纳个电子第四层，最多容纳个电子832包含和轨道包含、、和轨道2s2p4s4p4d4f第二章分子结构与几何形状在本章中，我们将深入研究分子的几何形状、结构理论以及空间构型对分子性质的影响理解分子的三维结构是预测其物理化学性质的关键分子几何形状VSEPR理论键角与键长路易斯结构分子几何形状的重要性分子的几何形状不仅决定其外观，更直接影响其化学反应性、物理性质和生物活性分子形状影响因素键角与键长•价层电子对数量与排布键角两个相邻化学键之间的夹角，用度数表示•成键原子的电负性差异例如H2O分子中H-O-H键角约为

104.5°•孤对电子的存在与位置键长两个相连原子核之间的平均距离，通常以皮米pm或埃Å为单位•分子中多重键的分布•分子内空间位阻效应例如O-H键长约为96pm分子几何形状的测定通常采用X射线衍射、核磁共振NMR和电子衍射等实验技术，结合计算化学方法进行理论详解VSEPR价层电子对互斥理论是预测分子几何形状的有力工具Valence ShellElectron PairRepulsion Theory电子域概念电子对排斥原理电子域是指分子中电子对占据的空间区域，价层电子对之间相互排斥，尽可能远离以减包括键对电子和孤对电子每个电子域都存小静电排斥力，从而达到能量最小化的稳定在排斥力，影响分子形状构型键角预测形状预测方法根据电子域排布和孤对电子存在，预测键角计算中心原子周围的电子域数量，根据电子偏离理想值的方向和程度，为分子结构解析域数确定电子几何形状，再考虑孤对电子影提供理论基础响得到分子几何形状理论的核心是电子域数决定电子几何构型，而键对电子的分布决定最终的分子几何构型VSEPR分子几何与电子几何的区别电子几何分子几何指中心原子周围所有电子域（包括键对和孤对电子）的空间排布指分子中原子核的实际空间排布，即我们可以观察到的分子形状电子几何仅考虑电子对的总数和排布，不区分键对和孤对分子几何只考虑原子的位置，不显示孤对电子例如和的电子几何都是四面体形，因为它们都有个电子域例如的分子几何是三角锥形，而是四面体形NH3CH44NH3CH4水分子是理解这一区别的经典例子H2O氧原子周围有个电子域（对键对电子和对孤对电子），因此电子几何构型是四面体形422但水分子只有个原子核（个氧原子和个氢原子），形成弯曲形状，因此分子几何构型是弯曲形312孤对电子虽然影响键角（使键角从理想的°减小到°），但不是分子几何形状的组成部分•H-O-H

109.

5104.5常见分子形状示例线性三角平面四面体电子域数2电子域数3电子域数4键角180°键角120°键角

109.5°典型分子CO2,BeF2典型分子BF3,SO3典型分子CH4,CCl4三角双锥八面体电子域数5电子域数6键角120°赤道,90°轴向键角90°典型分子PCl5,PF5典型分子SF6,[FeCN6]4-孤对电子对键角的影响多重键对分子形状的影响多重键（双键和三键）包含更多的电子，电子密度更高，因此占据更大的空间，对分子几何形状产生显著影响多重键比单键排斥力更强，影响邻近键的空间取向多重键比单键键长更短，改变分子整体构型多重键限制分子的旋转自由度，增加分子刚性乙烷C2H6乙烯C2H4乙炔C2H2单键分子双键分子三键分子单键长约双键长约三键长约•C-C154pm•C=C134pm•C≡C120pm允许自由旋转限制旋转完全限制旋转•••标准四面体构型平面构型线性构型•••在使用理论预测分子构型时，多重键通常被视为单个电子域，但排斥力更大，会优先占据赤道位置而非轴向位置VSEPR路易斯结构绘制技巧基本符号与表示方法绘制步骤•元素符号表示原子

1.确定中心原子（通常是电负性最低的非氢原子）•单线-表示共用一对电子的单键

2.计算分子总价电子数•双线=表示共用两对电子的双键

3.用单键连接所有原子•三线≡表示共用三对电子的三键

4.分配剩余电子，使每个原子达到稳定电子构型•点·表示非键合价电子孤对电子

5.必要时形成多重键以满足八电子规则例如H-Cl表示氯化氢分子，其中氯原子还有三对孤对电子常见例外少电子分子如BF

3、多电子分子如PCl

5、SF6，以及具有奇数电子的自由基等不严格遵循八电子规则路易斯结构是理解分子构型的基础，但对某些共振结构和金属配合物可能描述不够准确，需要结合其他理论模型模型示意图VSEPR上图展示了不同电子域数的分子形状示意图，清晰呈现了价层电子对互斥理论的核心内容电子域数电子几何构型孤对电子数分子几何构型线性线性20三角平面三角平面30三角平面弯曲形31V四面体四面体40四面体三角锥41四面体弯曲42通过该模型，可以预测包含孤对电子的分子（如、）的形状，理解分子极性和反应活性NH3H2O第三章晶体结构与材料应用在本章中，我们将研究晶体结构的基本概念、分类与表征方法，了解不同类型晶体的结构特点及其与材料性能的关系晶体结构是现代材料科学的重要基础晶体基础晶胞结构晶系分类结构与性能晶体与晶格基础晶体的定义晶体是原子、离子或分子按照确定的空间点阵排列形成的具有长程有序结构的固体晶体的本质特征是其内部粒子排列具有周期性和对称性，这种有序排列延伸到整个晶体晶格与基元晶格描述晶体中原子或离子排列的空间几何点阵基元晶格中的重复单元，可以是原子、离子、分子或原子团Motif晶体晶格基元=+晶体的微观特征晶体的宏观特征晶体的分类长程有序结构固定熔点离子晶体•••三维周期性排列各向异性原子晶体（共价晶体）•••具有明确的对称性解理性分子晶体•••具有规则外形金属晶体••晶胞与晶格参数晶胞的定义晶格参数晶胞是晶体中最小的重复单元，通过平移可以构建整个晶体结构晶胞是了解晶体结构的基本单元描述晶胞几何特征的六个基本参数晶胞的类型三个边长a,b,c原胞体积最小的晶胞三个夹角（与之间的夹角）（与之间的夹角）（与之间的夹角）αb c,βa c,γa b简单晶胞晶格点仅位于顶点体心晶胞除顶点外，中心有一个晶格点面心晶胞除顶点外，每个面中心有一个晶格点底心晶胞除顶点外，两个对平行面的中心有晶格点这些参数共同决定晶胞的大小和形状，是晶体结构分析的重要依据七大晶系与14种布拉维晶格根据晶胞的对称性和几何特征，晶体可分为七种晶系和14种布拉维晶格立方晶系四方晶系特征a=b=c，α=β=γ=90°特征a=b≠c，α=β=γ=90°布拉维晶格简单立方SC、体心立方BCC、面心立方FCC布拉维晶格简单四方ST、体心四方BCT代表材料NaClFCC、铁BCC、铜FCC代表材料白锡、金红石TiO2正交晶系六方晶系特征a≠b≠c，α=β=γ=90°特征a=b≠c，α=β=90°，γ=120°布拉维晶格简单正交、底心正交、体心正交、面心正交布拉维晶格简单六方代表材料硫S

8、碘化铅PbI2代表材料镁、锌、石墨三方晶系单斜晶系三斜晶系特征a=b=c，α=β=γ≠90°特征a≠b≠c，α=γ=90°≠β特征a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°布拉维晶格简单三方布拉维晶格简单单斜、底心单斜布拉维晶格简单三斜代表材料砷、锑、碳酸钙代表材料硫酸钠、单斜硫代表材料重铬酸钾、硫酸铜离子晶体与共价晶体离子晶体共价晶体由带相反电荷的离子通过静电引力结合形成的晶体由原子通过共价键形成的三维网状结构晶体NaCl晶体结构金刚石与石墨对比典型的面心立方结构同为碳元素的不同晶体结构•Na+和Cl-离子交替排列金刚石每个碳原子与4个碳原子形成sp3杂化共价键，构成三维网状结构•每个Na+被6个Cl-包围石墨每个碳原子与3个碳原子形成sp2杂化共价键，构成二维层状结构•每个Cl-被6个Na+包围特点差异•配位数为6:6•金刚石极高硬度，不导电特点•石墨软，可导电，层间滑动•高熔点、高硬度•固态不导电，熔融态导电•易溶于极性溶剂金属晶体与合金金属晶体结构合金结构与性能金属晶体由金属阳离子和自由移动的电子组成合金是两种或多种金属元素（或金属与非金属）形成的具有金属性质的混合物金属原子以紧密排列方式形成晶格，其价电子成为自由电子，在整个晶体中移动，形成电子海合金的分类常见金属晶体结构置换型合金一种金属原子替代另一种金属的晶格位置，如铜锌合金间隙型合金小原子占据金属晶格间隙，如钢铁体心立方BCC Fe,Cr,W,Mo金属间化合物两种金属形成具有确定比例的新相面心立方FCC Cu,Al,Au,Ag,Pt六方密堆积合金的作用HCP Mg,Zn,Ti,Co金属特性提高强度和硬度•改善耐腐蚀性良好的导电导热性••降低熔点金属光泽••调整电磁性能延展性和可塑性••非晶态材料简介非晶态材料是指原子或分子排列不具有长程有序性的固体材料，只具有短程有序结构非晶态特征无规则原子排列•无明确熔点，而是具有玻璃化转变温度•各向同性（性质在各方向相同）•无解理面，断裂呈贝壳状•能量状态高于晶态，热力学不稳定•非晶态金属非晶态半导体非晶态碳快速冷却金属熔体形成的无序结构如非晶硅，无长程有序排列碳原子的无序排列结构a-Si高强度和高硬度电子结构与晶态不同兼具和杂化•••sp²sp³优异的耐腐蚀性能带中存在缺陷态硬度介于石墨和金刚石之间•••特殊磁性能光电性能可调良好的生物相容性•••应用变压器铁芯、高强度合金应用薄膜太阳能电池、显示器应用硬盘保护层、医疗器械涂层••TFT•晶体结构与材料性能关系晶体结构是决定材料物理、化学和机械性能的关键因素，理解结构性能关系是材料科学的核心-机械性能电学性能晶体取向影响强度和塑性能带结构决定导电性••晶界数量影响硬度和韧性杂质分布影响半导体性能••位错运动决定塑性变形机制晶体对称性影响铁电性••点缺陷控制材料的蠕变行为离子迁移路径影响离子导电性••化学性能光学性能表面晶面决定催化活性晶体结构决定折射率••晶格缺陷影响反应速率点缺陷影响发光性能••晶界处理影响耐腐蚀性晶体对称性控制双折射••原子排列决定吸附特性表面微结构影响反射特性••纳米结构材料的特殊性能当材料尺寸减小到纳米级别时，由于表面效应和量子尺寸效应，材料性能会发生显著变化强度和硬度大幅提高（霍尔佩奇关系）•-熔点降低（吉布斯汤姆森效应）•-电学和光学性能呈现量子效应•催化活性显著增强•立方晶胞与布拉维晶格示意图上图展示了立方晶系的三种布拉维晶格类型及其特点立方晶系是最常见和对称性最高的晶系之一简单立方SC体心立方BCC面心立方FCC特点特点特点仅在个顶点有晶格点个顶点和个体心有晶格点个顶点和个面心有晶格点•8•81•86配位数为配位数为配位数为•6•8•12空间利用率仅为空间利用率为空间利用率最高，达•

52.4%•

68.0%•

74.0%不常见于自然界常见于碱金属和过渡金属许多金属和合金采用此结构•••波兰石结构遵循铁、钨、铬等采用此结构铜、铝、金、银等采用此结构•SC••理解这些基本晶格类型对分析材料的物理性质和机械行为至关重要例如，金属通常具有良好的延展性，而金属则往往更硬且韧性较差FCC BCC结构化学的实际应用案例半导体材料设计新型催化剂的结构优化药物分子结构与功能关系催化剂表面的原子排列决定了其催化活性和选择性，通过结构优化可设计高效催化材料药物分子的三维结构决定了其与生物靶点的结合能力，是药物设计的应用实例核心暴露特定晶面的纳米晶体催化剂，如高指数晶面铂催化剂应用实例••双金属核壳结构设计，优化表面电子结构•基于晶体结构的药物分子对接，预测药效•多孔材料结构控制，如沸石和金属有机骨架MOFs•多晶型药物研究，优化溶解度和生物利用度•单原子催化剂设计，实现极高原子利用率•手性药物设计，减少副作用硅基半导体是现代电子技术的基础，其钻石立方晶体结构使其具有特利用共晶技术改善药物稳定性和溶解性•殊的电子能带结构应用实例通过掺杂调控晶体结构，设计型和型半导体•p n通过应变工程改变晶格参数，提高载流子迁移率•利用外延生长控制界面结构，制备高性能异质结•设计新型二维半导体材料，如石墨烯、过渡金属硫化物等•结构化学的应用遍及材料科学、化学工程、生物医药等领域，是推动科技创新的基础学科通过对原子、分子和晶体结构的精确控制，可以设计出具有特定功能的先进材料和药物课程总结通过本课程的学习，我们系统地了解了结构化学的基本概念、理论框架和应用领域，建立了从原子到晶体的多尺度结构认知晶体结构与材料设计分子几何形状与性质晶体结构是材料科学的核心，通过控制原子在三维空间的排列可以设计具有特定性能的功能材料从离原子结构与化学键合分子的空间构型由价层电子对的排布决定，直接影响分子的物理化学性质和反应活性通过VSEPR理子晶体到金属晶体，从传统材料到纳米材料，结构决定性能的原理贯穿始终原子结构是理解物质组成的基础，电子在原子中的排布决定了元素的化学性质化学键的形成本质是原论可以预测大多数简单分子的几何形状，为理解复杂生物分子的结构奠定基础子间电子的相互作用，不同类型的化学键导致不同的分子和晶体结构谢谢聆听！欢迎提问与讨论。